JP4944235B2 - 切り替え可能な複屈折レンズアレイ及びこれを備えた表示装置 - Google Patents
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Description
通常の人間の視覚は立体的であり、すなわち、それぞれの眼がわずかに異なる世界像(image of the world)を見ている。脳が2つの像(ステレオペアと呼ばれる)を融合することにより、奥行きの感覚を与える。3次元立体ディスプレイは、実世界のシーンを見ている場合に見られるであろう像に対応する別個のほぼ平坦な像を、それぞれの眼に対して再現する。すると脳は再びステレオペアを融合して、像の奥行きが見えるようにする。
平坦表面と、円柱レンズアレイを画定する凸表面との間に配置される複屈折材料と、
複屈折材料を、第1モードと第2モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第1モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第2モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
第1モードでは、上記凸表面において、複屈折材料は、円柱レンズの幾何学的軸に平行に配向し、
第1モードでは、上記平坦表面において、複屈折材料は所定の角度で平坦表面に平行に配向するため、第1モードで、平坦表面と凸表面の間で配向方向がねじれる。
実質的に直線偏光する出力表示デバイスと、
第1モードでは、偏光出力表示デバイスの指向性分布を修正し、第2モードでは、表示デバイスの指向性分布の修正を実質的に引き起こさないように構成された切り替え可能な複屈折円柱レンズとを備え、当該切り替え可能な複屈折円柱レンズは、
円柱マイクロレンズアレイを画定する凸表面層と、
凸表面層における複屈折材料の配向が、第1の動作モードでは、円柱レンズの幾何学的軸にほぼ平行であるように凸表面層上に形成された配向膜と、
第1および第2のモードについて、それぞれ、少なくとも第1と第2の向きの間で複屈折材料の向きを切り替えるように構成された電極層とを備え、
平坦基板における複屈折材料の配向は、表示デバイスの出力偏光と連携して配向するため、第1の動作モードでは、ねじれが凸表面層における円柱マイクロレンズアレイの幾何学的軸にほぼ平行である状態で、偏光が複屈折材料を通過する。
−複屈折材料は液晶である。
−平坦基板における配向方向は、表示デバイスの出力偏光に平行または直角である。
−実質的に偏光するディスプレイは、部分的に偏光するか、または、偏光しないディスプレイおよび偏光子素子を備えることができる。
−ディスプレイは、ディスプレイでない(non-display)指向性切り替え用途のための空間光変調器であってよい。
−第1モードにおいて、レンズを通過する偏光状態のねじれが存在する。
−偏光状態のねじれは45°、−45°、または135°である。
−実質的に偏光するディスプレイの出力偏光を回転させるために、表示デバイスと能動レンズの間に付加的な波長板を組み込んでもよい。
−液晶の配向方向は、凸表面円柱マイクロレンズの幾何学的軸に平行である可能性がある。
−レンズ表面は、知られている表面配向技法を用いた製造に都合がよい。
−ディスプレイと能動レンズの間にさらなる波長板が必要とされず、したがって、素子の視距離を3D動作モードで低減し、デバイスコストを低減することができる。
−配向膜表面エネルギーと凸表面構造配向表面エネルギーの間の競合により、切り替えレンズ内で回位(disclination)を受けないであろう。
−能動レンズセルのコントラストが最適化されるであろう。
−切り替え応答時間が最小になる。
−レンズ素子内の縮退(degeneracy)が最小になるため、デバイスが一様に切り替わる。
−本発明は、実際のシステムでは光学的厚みが比較的厚いために、レンズ内で偏光誘導が起こることになるという意外な利点を有する。この誘導作用を用いて、能動レンズ内のデバイスの偏光を制御することができる。
−ディスプレイは、固定した液晶ディスプレイ出力偏光状態によって、2Dおよび3Dモードにて高い輝度を生成することができる。
表面と、円柱レンズアレイを画定する少なくとも凸表面との間に配置される複屈折材料と、
複屈折材料を、第1モードと第2モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第1モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第2モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
複屈折材料は、上記複数の凸表面においてホメオトロピックに配向する。
第1ホメオトロピック配向膜は凸表面構造上に形成され、
複屈折材料の誘電異方性はゼロ未満であるため、切り替え可能なレンズは、電界がセルに印加される時に第1モードで動作し、電界がセルに印加されない時に第2モードで動作する。
−第1モードでは、凸表面構造における複屈折材料の光軸の配向は、幾何学的マイクロレンズ軸にほぼ平行である。
−その配向は、配向膜のホモジニアスなバイアスによって提供され、
−その配向は、溝付き構造によって提供されるホモジニアスなバイアスによって提供され、
−平坦基板における配向は、
−ホメオトロピックであり、
−ホモジニアスであり、
−ホメオトロピック配向およびホモジニアス配向を含むため、第1モードでホモジニアス配向特性を、第2モードでホメオトロピック配向特性を示し、
−第1動作モードにおいて入射偏光状態のねじれを提供するため、凸表面構造における偏光状態は複屈折レンズ光軸に平行である。
―波長板は、表示デバイスと平坦基板の間に位置するため、平坦基板における偏光角は、凸表面基板における偏光角と平行である。
空間光変調器および出力偏光子を有する表示デバイスと、
空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な複屈折レンズアレイとを備え、
レンズアレイは、表示デバイスの空間光変調器と出力偏光子の間に配置される。
実質的に直線偏光する出力表示デバイスと、
第1モードでは、偏光出力表示デバイスの指向性分布を修正し、第2モードでは、表示デバイスの指向性分布の修正を実質的にもたらさないように構成される切り替え可能な複屈折円柱レンズを備える能動レンズとを備え、
能動レンズは、画素平面と表示デバイスの出力偏光子の間に位置する。
空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な複屈折レンズアレイとを備える。
切り替え可能な複屈折光学材料を含む切り替え可能な複屈折レンズを備える光学切り替え装置と、
それぞれが実質的に偏光する光出力を有する、発光画素領域のアレイを備える発光型空間光変調器装置とを備える。
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
複屈折材料を、第1モードと第2モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第1モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第2モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極と、
第1と第2のモードの間で切り替えるために、電極の両端の電圧を制御する電圧コントローラであって、レンズアレイ装置の温度の変動を補償するために、第1と第2のモードで印加される電圧を調整するように構成される、電圧コントローラとを備える。
レンズアレイを画定する凸表面を間に有する複屈折材料および実質的に等方性の材料と、
複屈折材料を、第1モードと第2モードの間で電気的に切り替えるために、複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極であって、レンズアレイは、上記第1モードでは、所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、上記第2モードでは、上記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、制御電圧を印加するための電極とを備え、
等方性材料の屈折率は、20℃を超える温度か、または、25℃以上の温度で、複屈折材料の常光線屈折率または複屈折材料の異常光屈折率のうちの1つに等しい。
1つの動作モードでの、肉眼で観察することができるフルカラー3D立体動(moving)画像、および、第2動作モードでの、フル解像度2D画像を都合よく提供することができる自動立体表示手段、
第1モードでは、実質的に非指向性の輝度性能を示し、第2モードでは、実質的に指向性の輝度性能を示すことができる切り替え可能な高輝度半透過型および反射型表示システム、または、
1つの動作モードでの、1人の観察者に対する1つのフルカラー2D動画像および少なくとも第2の観察者に対する少なくとも第2の異なる2D画像、ならびに、第2の動作モードでの、全ての観察者によって見られるフル解像度2D画像を都合よく提供することができるマルチビュアー表示手段のために用いられることができる。
能動レンズは、それぞれの指向性分布の間での切り替えを可能にする切り替え可能な複屈折材料を含むレンズである。図6の固定レンズ94、98は、有利には、たとえば、フル解像度2Dモードと自動立体3Dモードの間での切り替えを可能にするために、本発明の能動レンズによって置き換えられてもよい。
実際には、偏光表示デバイスの出力偏光角度は、一般に、垂直方向になるように設定されない。これは、液晶ディスプレイなどのディスプレイの視野角性能の最適化による。たとえば、よく知られているノーマリホワイト透過型ツイステッドネマチックディスプレイは、45°の角度の出力偏光を有するが、半透過型および反射型ディスプレイは、たとえば、20°に近い出力角度を有する。これまでに述べた実施形態では、複屈折レンズの入力表面および出力表面上での偏光状態の出力角度は、この角度に整合しない場合がある、ゼロであるように設定される。
これまでに述べた実施形態は、従来のホモジニアス配向膜および正の誘電異方性材料を使用する。しかしながら、デバイスを2Dモードで動作させるために、セルの両端で電圧が印加される必要がある。多くのデバイスの2Dモードは、より多く使用される可能性がある。2D画像のための3Dモードでのデバイスの動作は、ディスプレイのユーザに好ましくないアーチファクトを引き起こすことになり、したがって、望ましくない。したがって、こうした素子は、多くは切り替え式の動作状態に維持される必要があるであろう。これは、3Dモードと比較して、デバイスの電力消費の増加を引き起こすであろう。スイッチがうまく働かない場合、デバイスは、3Dモードのままとなることになり、同様に、望ましくない。
偏光出力表示システムにおいて、従来技術のディスプレイは、偏光子に対する能動レンズの相対位置を開示しない。図14に示すように、能動レンズは、たとえば、厚みが150μm以下のMicrosheetガラスまたはプラスチック材料基板である場合がある基板211、平坦基板配向膜とITO皮膜212およびレンズ基板配向膜とITO皮膜214、複屈折材料218および等方性材料220および最終基板216を備えてもよい。この構造は、ディスプレイの出力偏光子の後に配置してもよい。輝度は、ディスプレイ偏光子によって分解(analyse)されているため、レンズは、出力光の指向性のみを操作する。こうしたシステムは、出力偏光子の厚みのために、視距離の増加を受ける。
高分子および小分子有機エレクトロルミネッセンスディスプレイを含む無機および有機のエレクトロルミネッセンスディスプレイなどの発光型ディスプレイは、通常、偏光しない光出力を生成する。しかしながら、指向性分布光学切り替えシステムは、たとえば、均等拡散である場合がある第1モードと、たとえば、自動立体3Dウィンドウである場合がある第2モードとの間でディスプレイが再構成されることが可能になるように偏光の切り替えに依存する場合がある。そのため、非偏光ディスプレイは、偏光指向性分布光学切り替えシステムと組み合わされると、偏光損失を示すことになる。
次に、最適動作温度範囲を拡張するための考慮事項を述べる。これらの考慮事項は、先に述べた能動複屈折レンズアレイ全てに当てはまり、実際に一般に、電極両端の電圧制御によって2つのモードで動作する任意の他の能動複屈折レンズアレイに当てはまる。
Claims (14)
- 3D/2Dの映像を表示する出力を生成する表示装置に用いられる、切り替え可能な複屈折レンズアレイであって、
平坦表面と、円柱レンズアレイを画定する複数の凸表面との間に配置される複屈折材料と、
前記複屈折材料を、3Dモードと2Dモードの間で電気的に切り替えるために、前記複屈折材料の両端に制御電圧を印加するための電極と
を備え、所定の方向に偏光した入射光が入射する複屈折レンズアレイにおいて、
レンズアレイは、前記3Dモードでは、前記電極に所定の電圧が印加され、前記複屈折材料は、前記複数の凸表面において、前記円柱レンズの幾何学的軸にほぼ平行に配向すると同時に前記平坦表面と前記凸表面で前記配向方向がねじれ、前記所定の方向に偏光した入射光の指向性分布を修正し、前記2Dモードでは、前記電極に所定の電圧が印加されない状態で、前記複屈折材料は、前記複数の凸表面においてホメオトロピカルに配向し、前記所定の方向に前記所定の方向に偏光した入射光に実質的に影響を与えないように構成される、切り替え可能な複屈折レンズアレイ。 - 前記複屈折材料は負の誘電異方性を有する請求項1に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記電極に所定の電圧を印加し、前記複屈折材料を前記円柱レンズの前記幾何学的軸にほぼ平行に配向させるために、前記凸表面において配向膜をさらに備える請求項2に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記電極に所定の電圧を印加し、前記複屈折材料を前記円柱レンズの前記幾何学的軸にほぼ平行に配向させるために、前記凸表面において溝付き構造をさらに備える請求項3に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記複屈折材料は、前記凸表面と平坦表面の間に配置され、該平坦表面において、前記電極に電圧が印加されない状態で、前記複屈折材料の配向はホメオトロピックである請求項1〜4のいずれか一項に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記平坦表面において、前記複屈折材料の配向は、前記3Dモードおよび前記2Dモードでホモジニアスであり、前記電極に所定の電圧を印加した前記3Dモードで、前記凸表面と平坦表面の間の前記複屈折材料の配向方向のねじれは45度、−45度、135度のいずれかである請求項1〜4のいずれか一項に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記平坦表面において前記複屈折材料の配向を設けるために、前記平坦表面において配向膜をさらに備える請求項5または6に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記複屈折材料は液晶である請求項1〜7のいずれか一項に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記凸表面に隣接する実質的に等方性の材料でできた基板をさらに備える請求項1〜8のいずれか一項に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 前記等方性材料の屈折率は、前記複屈折材料の常光線屈折率にほぼ等しい請求項9に記載の切り替え可能な複屈折レンズアレイ。
- 空間光変調器および出力偏光子を有する表示デバイスと、
前記空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な請求項1〜10のいずれか一項に記載の複屈折レンズアレイと
を備え、
前記レンズアレイは、前記表示デバイスの前記空間光変調器と前記出力偏光子の間に配置される表示装置。 - 前記空間光変調器は、各画素における光の偏光方向の主軸を或る変調量だけ回転させるように構成され、前記出力偏光子は、所定の方向に偏光した光を選択するように構成される請求項11に記載の表示装置。
- 前記空間光変調器は液晶空間光変調器である請求項12に記載の表示装置。
- 発光型空間光変調器であって、該空間光変調器の各画素において実質的に直線偏光した光を出力するように構成された発光型空間光変調器と、
該空間光変調器から光を受け取るように構成された電気的に切り替え可能な請求項1〜10のいずれか一項に記載の複屈折レンズアレイと
を備える表示装置。
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